РТЦиС_метода к лабам. Радиотехнические цепи и сигналы лабораторный практикум
![]()
|
8. РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА с ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮЦель работы — исследование влияния обратной связи (ОС) на коэффициент передачи и частотные характеристики активного радиотехнического устройства. Рассматривается влияние обратной связи на формирование АЧХ и ФЧХ устройства и ослабление нелинейных искажений и помех с помощью отрицательной обратной связи (ООС). 8.1. Теоретические сведенияРадиотехнические устройства, в которых выходной сигнал или некоторая его часть снова подается на вход, называют устройствами или цепямис обратной связью. Обратная связь широко используется в радиоэлектронике и в системах автоматического управления. Введение ОС, с одной стороны, позволяет в ряде случаев существенно улучшить рабочие характеристики устройства, создать цепи с новыми свойствами (отрицательное сопротивление, гиратор — искусственная индуктивность, гребенчатый фильтр); с другой, при определенных условиях, приводит к неустойчивости устройства — в цепи возникают автоколебания. Так построены различные автоколебательные системы, прежде всего генераторы гармонических колебаний, являющиеся неотъемлемым элементом любого радиопередающего устройства. Иногда ОС возникает вопреки намерениям разработчика устройства из-за неучтенных электромагнитных связей между входными и выходными цепями. Такая ОС называется паразитной. ![]() Рис. 8.1 Обобщенная схема устройства с ОС представлена на рис. 8.1. Здесь КПП — канал прямой передачи, являющийся, как правило, активным звеном (усилителем) и имеющий комплексный коэффициент передачи ![]() ![]() Коэффициент передачи устройства с ОС. Выясним, как связан комплексный коэффициент передачи устройства, охваченного ОС, с коэффициентами передачи КПП и КОС. Пусть s1(t) — сигнал на входе (т. е. после суммирующего устройства) КПП, а s2(t) — сигнал на выходе КОС. Поставим в соответствие показанным на рис. 8.1 сигналам, как функциям времени, спектральные функции; в силу линейности преобразования Фурье спектральные функции или спектры в различных точках схемы рис. 8.1 связаны друг с другом следующим образом: ![]() ![]() ![]() Исключим из системы уравнений (8.1) – (8.3) спектры сигналов s1(t) и s2(t), для чего подставим выражение (8.3) в формулу (8.1): ![]() а полученный результат — в формулу (8.2): ![]() откуда следует выражение для комплексного коэффициента передачи устройства с ОС: ![]() Произведение ![]() Виды обратной связи. Введем обозначения ![]() ![]() Тогда ![]() ![]() Соотношение (8.5) лежит в основе обычно используемой классификации видов обратной связи. Положительная обратная связь. Если () + K() = 2k, где k = 0, 1, 2, … , то сигнал обратной связи и входной сигнал складываются синфазно, при этом ![]() и обратная связь называется положительной (ПОС), причем при ()K() 1 имеем ![]() Отрицательная обратная связь. Если () + K() = 2k + , где k = 0, 1, 2, … , то сигнал обратной связи и входной сигнал складываются в противофазе, при этом ![]() и обратная связь называется отрицательной (ООС), причем при ()K() получается, что ![]() т. е. коэффициент передачи устройства с ОС при этих условиях определяет канал (четырехполюсник) обратной связи. Реактивная обратная связь. Если () + K() = 2k /2, где k = 0, 1, 2, … , то ОС называется реактивной (при этом фазовый сдвиг между входным сигналом и сигналом обратной связи составляет 90°). В остальных, не рассматриваемых здесь случаях, ОС называется комплексной. Иногда, при рассмотрении конкретных устройств, подчеркивая свойства КОС, говорят о «частотно-зависимой» или «частотно-независимой» ОС. Влияние ООС на характеристики устройства. Отрицательная обратная связь широко используется в радиотехнике. Ее применение позволяет, в частности, за счет снижения общего коэффициента передачи улучшить такие важные параметры устройства, как стабильность коэффициента усиления, частотную характеристику; уменьшить искажения. Стабильность коэффициента передачи (усиления). Пусть на некоторой частоте КОС имеет средний коэффициент передачи ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() а нестабильность, вызванная изменением коэффициента усиления КПП на ![]() ![]() Относительная нестабильность коэффициента передачи для устройства с ООС, таким образом, определится как ![]() Из соотношения (8.8) следует, что за счет использования ООС относительная нестабильность коэффициента передачи, вызванная случайными изменениями температуры, напряжения питания устройства и т. п., уменьшается в (1 + ![]() Коррекция частотной характеристики. Зависимость K() — коэффициента передачи (усиления) КПП — от частоты также можно рассматривать как проявление нестабильности. Снижение при введении ООС относительного изменения коэффициента передачи устройства в (1 + ![]() ![]() ![]() Рис. 8.2 Уменьшение искажений. Использование ООС дает возможность уменьшить возникающие в КПП (усилителе) по различным причинам искажения сигнала (влияние собственных шумов усилителя, появление высших гармоник и т. п.). Такие искажения можно представить как результат сложения с выходным сигналом КПП внешней помехи ![]() ![]() ![]() ![]() т. е. в (1 + ![]() Активные фильтры. Частотно-зависимая ОС используется, в частности, при создании так называемых активных фильтров. Создать катушку индуктивности в микроисполнении невозможно, но индуктивные элементы необходимы для построения избирательных цепей. Соответствующие устройства создают, используя сочетание активных элементов (чаще всего, операционных усилителей, ОУ) и пассивных RC-цепей. Операционные усилители характеризуются большим коэффициентом усиления ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() а б Рис. 8.3 Двойной Т-мост, схема которого приведена на рис. 8.4, часто используется в качестве четырехполюсника, реализующего КОС с характерной частотной зависимостью. ![]() ![]() Рис. 8.4 Рис. 8.5 Для расчета АЧХ и ФЧХ четырехполюсника на рис. 8.4 используем метод узловых напряжений; в качестве узловых выберем точки 1, 2, 3. Предполагая, что мост нагружен на бесконечно большое сопротивление ( ![]() ![]() узел 1: ![]() узел 2: ![]() узел 3: ![]() ![]() исключая из системы амплитуды ![]() ![]() ![]() Графики соответствующих АЧХ и ФЧХ: ![]() ![]() приведены на рис. 8.5. Частота ![]() Примеры радиотехнических устройств с обратной связью.
![]() ![]() Рис. 8.6
![]() ![]() Рис. 8.7
![]() ![]() ![]() ![]() Рис. 8.8 Рис. 8.9 АЧХ гребенчатого фильтра показана на рис. 8.9. Регулируя ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() |